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Wie ein expandierendes Universum erzeugt werden kann

Wenn man Raum und Zeit erhitzt, kann ein expandierendes Universum entstehen – ganz ohne Urknall. Diesen Phasenübergang zwischen einem leeren Raum und einem expandierenden Universum, das Masse enthält, konnte ein Forschungsteam nun berechnen. Dahinter liegt ein bemerkenswerter Zusammenhang zwischen Quantenfeldtheorie und Einsteins Relativitätstheorie.

Kochen mit Raum und Zeit

Aus dem Alltag kennen wir Phasenübergänge nur von Stoffen, die zwischen festem, flüssigem und gasförmigem Zustand wechseln. Allerdings können auch Raum und Zeit selbst solche Übergänge durchmachen, wie die Physiker Steven Hawking und Don Page schon 1983 zeigten. Sie berechneten, dass aus leerem Raum bei einer bestimmten Temperatur plötzlich ein Schwarzes Loch werden kann.

Lässt sich bei einem ähnlichen Prozess aber auch ein ganzes Universum erzeugen, das sich kontinuierlich ausdehnt, so wie unseres? Diese Frage stellte sich Daniel Grumiller vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien gemeinsam mit Kollegen aus Harvard, dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Universität Edinburgh. Das Ergebnis: Tatsächlich scheint es eine kritische Temperatur zu geben, bei der aus einem völlig leeren, flachen Raum ein expandierendes Universum mit Masse wird. „Die leere Raumzeit beginnt gewissermaßen zu kochen, es bilden sich Blasen, eine von ihnen expandiert und nimmt schließlich die gesamte Raumzeit ein“, erklärt Daniel Grumiller.

 Daniel Grumiller erhitzt die Raumzeit - zumindest am Papier. Foto: TU Wien
Daniel Grumiller erhitzt die Raumzeit – zumindest am Papier. Foto: TU Wien

Das Universum muss dabei rotieren – das Kochrezept für ein expandierendes Universum lautet also: Erhitzen und umrühren. Diese Rotation kann allerdings beliebig gering sein. Bei den Berechnungen wurden vorerst nur zwei Raumdimensionen berücksichtigt. „Es gibt aber nichts, was dagegen spricht, dass es in drei Raumdimensionen genauso ist“, meint Grumiller.

Das Phasenübergangs-Modell ist nicht als Konkurrenz zur Urknalltheorie gedacht. „In der Kosmologie weiß man heute sehr viel über das frühe Universum – das zweifeln wir nicht an”, sagt Grumiller. “Aber für uns ist die Frage entscheidend, welche Phasenübergänge in Raum und Zeit möglich sind und wie die mathematische Struktur der Raumzeit beschrieben werden kann“.

Auf der Suche nach der Struktur des Universums

Die Theorie ist die logische Fortsetzung  einer 1997 aufgestellten Vermutung, der sogenannten „AdS-CFT-Korrespondenz“, die seither die Forschung an den fundamentalen Fragen der Physik stark beeinflusst hat: Sie beschreibt einen merkwürdigen Zusammenhang zwischen Gravitationstheorien und Quantenfeldthorien – zwei Bereiche, die auf den ersten Blick gar nichts miteinander zu tun haben. In bestimmten Grenzfällen lassen sich Aussagen der Quantenfeldtheorie in Aussagen von Gravitationstheorien überführen und umgekehrt.  Zwei ganz unterschiedliche physikalische Gebiete werden so in Verbindung gebracht, aber es mangelte bisher an konkreten Modellen, die diesen Zusammenhang belegten.

Letztes Jahr wurde von Daniel Grumiller und Kollegen erstmals so ein Modell aufgestellt (der Einfachheit halber in bloß zwei Raumdimensionen). Das führte schließlich zur aktuellen Fragestellung: Dass es in den Quantenfeldtheorien einen Phasenübergang gibt, wusste man. Doch das bedeutete, dass es aus Konsistenzgründen auch auf der Gravitatations-Seite einen Phasenübergang geben muss.

„Das war zunächst ein Rätsel für uns“, sagt Daniel Grumiller. „Das würde einen Phasenübergang zwischen einer leeren Raumzeit und einem expandierenden Universum bedeuten, und das erschien uns zunächst äußerst unwahrscheinlich.“ Die Rechenergebnisse zeigten dann aber, dass genau diesen Übergang tatsächlich gibt. “Wir beginnen erst, diese Zusammenhänge zu verstehen“, meint Daniel Grumiller. Welche Erkenntnisse über unser eigenes Universum wir dadurch ableiten können, ist heute noch gar nicht absehbar. (Quelle: idw)

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Besondere Fähigkeiten bei Roboter gefunden: Er hat Bewusstsein

Wissenschaftler der Universität Bielefeld haben bei dem von ihnen entwickelten Roboter besondere Fähigkeiten gefunden: Diese deuten darauf hin, dass der Roboter ein Bewusstsein entwickelt hat.

Für Menschen ist es normal: Taucht ein Problem auf, denken sie über unterschiedliche mögliche Handlungsschritte nach, erproben in Gedanken deren Konsequenzen und entscheiden sich dann für eine Vorgehen. Seit Anfang 2011 arbeiten Forscher der Universität Bielefeld daran, dass auch Roboter dieses Probehandeln durchführen können.

Um ihr Ziel – einen Roboter der Probehandeln kann – zu erreichen, haben die Forscher ein reaktives System auf Insektenbasis entwickelt. Der Roboter mit Namen Hector ähnelt einer Stabheuschrecke und reagiert auf Umweltreize, er kann also zum Beispiel über einen Stein klettern, wenn dieser im Weg liegt. Das Neue an Hector: Die Forscher haben sein System um kognitive Komponenten erweitert. Der Heuschrecken-Roboter kann so beispielsweise neue Verhaltensweisen erfinden und das Probehandeln erlernen. Dieses vollzieht der Roboter dann, wenn ein Problem auftritt, das das reaktive System nicht lösen kann – dann schaltet sich Hectors kognitives System dazu, sodass der Roboter unterschiedliche Verhaltensweisen durchspielt und überlegt, welche Handlungsoptionen bestehen. Ganz nach dem Motto: Erst denken, dann handeln.

Prof. Dr. Holk Cruse (Bild), Biologe an der Universität Bielefeld, und sein Forschungspartner Malte Schilling haben entdeckt, dass Roboter ein Bewusstsein entwickeln können. Foto: Universität Bielefeld
Prof. Dr. Holk Cruse (Bild), Biologe an der Universität Bielefeld, und sein Forschungspartner Malte Schilling haben entdeckt, dass Roboter ein Bewusstsein entwickeln können.
Foto: Universität Bielefeld

„Der Bau von Roboter Hector ist noch nicht ganz abgeschlossen, aber die Simulation, das heißt sein virtuelles Gegenstück am Computer, ist zu 90 Prozent fertiggestellt“, sagt Professor Dr. Holk Cruse, einer der beteiligten Forscher. „In der Theorie sind wir uns also schon sehr sicher, dass Hector Probehandeln kann.“ Am Projektende soll auch der reale Roboter – der bislang noch nicht vollständig fertiggestellt ist – zeigen können, dass er das Probehandeln beherrscht. „Nachdem wir unser Basisziel erreicht hatten, haben wir geschaut, was der Roboter noch kann. Dabei ergab sich, dass er gewisse emergente Fähigkeiten entwickelt hat, die auf ein Bewusstsein hindeuten“, so Cruse. „Emergent sind Eigenschaften dann, wenn sie nicht in das System eingebaut wurden, schließlich aber trotzdem vorhanden sind.“

Bislang ist die Annahme verbreitet, dass derartige emergente Eigenschaften, zu denen unter anderem die Kontrolle der Aufmerksamkeit und eben auch das Bewusstsein gehören, nur in komplexen Systemen möglich sind. „Unsere Forschung zeigt, dass auch weniger komplexe Systeme höhere Fähigkeiten entwickeln können“, sagt Malte Schilling, Forschungspartner von Holk Cruse. Zu den Aspekten von Bewusstsein, die der Roboter entwickelt hat, zählen unter anderem Intentionen sowie die sogenannte globale Zugänglichkeit. Intentionen bezeichnen Zustände, bei denen das ganze Verhalten einem Ziel – beispielsweise der Futtersuche – untergeordnet ist. Mit globaler Zugänglichkeit ist gemeint, dass Gedächtniselemente zugänglich sind, auch wenn gerade etwas anderes gemacht wird. Beispielsweise ist jemand der läuft, trotzdem in der Lage nachzudenken und nebenbei noch etwas anderes zu machen. „Diese und weitere Aspekte von Bewusstsein, die wir bei Hector finden konnten, sind sozusagen Abfallprodukte der eigentlichen Forschungsarbeit – allerdings sehr interessante“, sagt Cruse. „Sie zeigen, dass wichtige Eigenschaften des Bewusstseins auch bei sehr kleinen Gehirnen, und eben auch in künstlichen Systemen, vorkommen können“, sagt Cruse. (Quelle: idw)

Buchtipps:

Künstliche Fotosynthese: Lösung aller Energieprobleme?

Heidelberg. Die Sonne ist eine unerschöpfliche und zudem saubere Energiequelle. Fotovoltaikanlagen und Solarthermiekraftwerke zapfen sie bereits an und gewinnen aus Sonnenlicht Strom. Der ist jedoch nur sehr begrenzt speicherbar und muss sofort verbraucht werden. Sein Transport über weite Strecken ist zudem mit großen Verlusten verbunden. Nur über den Umweg der Wasserelektrolyse lässt sich elektrischer Strom in den breiter einsetzbaren Energieträger Wasserstoff umwandeln, was aber sehr ineffektiv ist.

Eine wesentlich elegantere Lösung macht uns die Natur seit jeher vor: die Fotosynthese. Dabei erzeugen Pflanzen, Algen und gewisse Bakterien mit Hilfe von Sonnenlicht aus Kohlendioxid und Wasser direkt energiereiche Zuckermoleküle. Schon seit einiger Zeit versuchen Forscher deshalb, den Vorgang künstlich nachzuahmen. Dabei geht es ihnen vor allem um den ersten Schritt der Fotosynthese: die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.

Die bisher erzielten Erfolge sind beachtlich. So präsentierte Daniel Nocera vom Massachussetts Institute of Technology vor zwei Jahren ein “künstliches Blatt”. Es besteht aus einer Solarzelle, in der auftreffendes Sonnenlicht freie Elektronen und “Löcher” (Elektronenfehlstellen) erzeugt. Die dem Licht zugewandte Seite ist mit einem cobalthaltigen Katalysator beschichtet, der mit Hilfe der Löcher aus Wasser Sauerstoff freisetzt. Die zurückbleibenden Protonen wandern zur anderen Seite und werden dort von einer Legierung aus Nickel, Molybdän und Zink mit Hilfe der Elektronen zu Wasserstoff reduziert. Der Wirkungsgrad liegt mit 2,5 bis 4,7 Prozent – je nach genauer Konfiguration – schon recht hoch. Pflanzen verwerten das auftreffende Sonnenlicht sogar nur zu 0,3 Prozent.

Allerdings ist dieses “Blatt” wegen der enthaltenen Metalle noch ziemlich teuer und auch nicht lange beständig. Markus Antonietti vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm hat sich deshalb auf ein anderes Material verlegt, das nicht nur sehr stabil, sondern auch einfach und preiswert herstellbar ist: graphitisches Kohlenstoffnitrid. Schon Justus Liebig kannte die Substanz im 19. Jahrhundert. Sie ist entfernt mit dem Chlorophyll des Blattgrüns verwandt und ähnelt stark dem Graphen – einer maschendrahtartigen Anordnung von Kohlenstoffatomen, der viele eine große Zukunft in der Elektronik vorhersagen.

Kohlenstoffnitrid als solches ist allerdings nicht sehr aktiv, was unter anderem an seinem zu geringen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen liegt. Wie Antonietti in Spektrum der Wissenschaft berichtet, konnte seine Gruppe aber bereits eine Steigerung um das Zehnfache erreichen, indem sie gezielt die Porosität des Materials erhöhte.

Eine weitere Verbesserung ließ sich durch Dotieren mit Schwefel oder Barbitursäure erreichen. Auf diese Weise konnten die Forscher die Quantenausbeute der Oxidation von Wasser zu Protonen und Sauerstoff für violette Strahlung einer Wellenlänge von 440 Nanometern immerhin auf 5,7 Prozent steigern. Hilfreich war auch die Zugabe von Nanoteilchen aus Cobaltoxid. Dadurch erhöhte sich die Quantenausbeute für die Wasserspaltung insgesamt auf 1,1 Prozent.

Alles in allem sehen die bisherigen Ergebnisse also ermutigend aus. Zwar veranschlagt Antonietti bis zur praktischen Einsatzreife seines Systems noch mindestens 20 Jahre. Doch die Aussichten wären verlockend. Wenn sich mit künstlichen Fotosynthesesystemen 10 Prozent der Solarenergie nutzen ließen, müssten sie nur 0,16 Prozent der Erdoberfläche bedecken, um den für 2030 vorausgesagten globalen Energiebedarf von 20 Terawattstunden zu decken. Als Standorte kämen dabei in erster Linie Wüsten in Frage, wo die Sonne fast immer scheint und keine Konkurrenz zu Agrarnutzflächen besteht. Ein Zehntel der Sahara, die 1,76 Prozent der Erdoberfläche einnimmt, würde bereits genügen.

Wie heutige Solarzellen ließen sich künstliche Fotosynthesesysteme aber auch auf Dächern installieren. Bei einer Lichtausbeute von 10 Prozent könnten sie beispielsweise 300 Tonnen Methanol pro Hektar und Jahr liefern. “Wären nur 100 Quadratmeter des eigenen Grundstücks damit bedeckt, bräuchte selbst ein leidenschaftlicher Autofahrer bei heutigem Treibstoffverbrauch nie mehr zur Tankstelle”, erklärt Antonietti.  (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, September 2013)

Elektronen an zwei Orten gleichzeitig

Video: Die Quantenphysik

In einer Art molekularem Doppelspaltexperiment haben Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts (FHI) der Max-Planck Gesellschaft in Zusammenarbeit mit Forschern vom California Institute of Technology in Pasadena/USA erstmals an Elektronen nachgewiesen, dass diese gleichzeitig Eigenschaften von Welle und Teilchen besitzen und quasi per Knopfdruck zwischen beiden Zuständen hin- und hergeschaltet.

Vor hundert Jahren begann man den in der Naturphilosophie postulierten dualen Charakter der Natur auch auf der Ebene elementarer physikalischer Vorgänge schrittweise zu erkennen. Albert Einstein war der erste, der 1905 diese Konsequenz aus Plancks Quantenhypothese zog. Er ordnete dem eindeutig als elektromagnetische Welle bekannten Photon Teilchencharakter zu. Dies ist die Quintessenz seiner Arbeit zum Photoeffekt. Später war es vor allem deBroglie, der 1926 erkannte, dass alle uns als Teilchen bekannten Bausteine der Natur – Elektronen, Protonen etc. – sich unter bestimmten Bedingungen wie Wellen verhalten.
Die Natur in ihrer Gesamtheit ist also dual; kein einziger ihrer Bestandteile ist nur Teilchen oder Welle. Niels Bohr führte zum Verständnis dieser Tatsache 1923 das Korrespondenz-Prinzip ein, das vereinfacht besagt: Jeder Bestandteil der Natur hat sowohl Teilchen- als auch Wellencharakter und es hängt nur vom Beobachter ab, welchen Charakter er gerade sieht. Anders gesagt: Es hängt vom Experiment ab, welche Eigenschaft – Teilchen oder Welle – man gerade misst. Dieses Prinzip ist als Komplementaritätsprinzip in die Geschichte der Physik eingegangen.

Albert Einstein war diese Abhängigkeit der Natureigenschaften vom Beobachter Zeit seines Lebens suspekt. Er glaubte, es müsse eine vom Beobachter unabhängige Realität geben. Doch die Quantenphysik hat die Tatsache, dass es keine unabhängige Realität zu geben scheint, im Laufe der Jahre einfach als gegeben akzeptiert, ohne sie weiter zu hinterfragen, da alle Experimente sie immer wieder und mit wachsender Genauigkeit bestätigt haben.

Bestes Beispiel ist das Young’sche Doppelspaltexperiment. Bei diesem Doppelspaltexperiment lässt man kohärentes Licht auf eine Blende mit zwei Schlitzen fallen. Auf einem Beobachtungsschirm hinter der Blende zeigt sich dann ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Streifen. Das Experiment kann aber nicht nur mit Licht, sondern auch mit Teilchen wie z. B. Elektronen durchgeführt werden. Schickt man einzelne Elektronen nacheinander durch den offenen Young’schen Doppelspalt, erscheint auf der dahinterstehenden Photoplatte ein streifenförmiges Interferenzmuster, das keinerlei Information über den Weg, den das Elektron genommen hat, enthält. Schließt man jedoch einen der beiden Spalte, so erscheint auf der Photoplatte ein verwaschenes Abbild des jeweils offenen Spaltes, aus dem man den Weg des Elektrons direkt ablesen kann. Eine Kombination aus Streifenmuster und Lagebild ist in diesem Doppelspaltexperiment jedoch nicht möglich, dazu bedarf es eines molekularen Doppelspaltexperiments.

Obwohl jedes Elektron einzeln durch einen der beiden Spalte zu laufen scheint, baut sich am Ende ein wellenartiges Interferenzmuster auf, als ob sich das Elektron beim Durchgang durch den Doppelspalt geteilt hätte, um sich danach wieder zu vereinen. Hält man aber einen Spalt zu oder beobachtet man, durch welchen Spalt das Elektron geht, verhält es sich wie ein ganz normales Teilchen, das sich zu einer bestimmten Zeit nur an einem bestimmten Ort aufhält, nicht aber an beiden gleichzeitig. Je nachdem also, wie man das Experiment ausführt, befindet sich das Elektron entweder an Ort A oder an Ort B oder an beiden gleichzeitig.
Das diese Doppeldeutigkeit erklärende Bohrsche Komplementaritäts-Prinzip fordert aber zumindest, dass man nur eine der beiden Erscheinungsformen zu einer gegebenen Zeit in einem gegebenen Experiment beobachten kann – entweder Welle oder Teilchen, aber nicht beides zugleich. Entweder ist ein System in einem Zustand des wellenartigen “Sowohl-als-auch” oder aber des teilchenartigen “Entweder-oder” in Bezug auf seine Lokalisierung.

In jüngster Zeit hat eine Klasse von Experimenten ergeben, dass diese verschiedenen Erscheinungsformen der Materie ineinander überführbar sind, das heißt, man kann von einer Form in die andere schalten und unter bestimmten Bedingungen wieder zurück. Diese Klasse von Experimenten nennt man Quantenmarker und Quantenradierer. Sie haben in den letzten Jahren an Atomen und Photonen und seit jüngstem auch an Elektronen gezeigt, das es ein Nebeneinander von “Sowohl-als-auch” und “Entweder-oder” für alle Formen der Materie gibt, also eine Grauzone der Komplementarität. Es gibt demzufolge experimentell nachweisbare Situationen, in denen die Materie sowohl als Welle aber auch als Teilchen gleichzeitig in Erscheinung tritt.

Beispiele dafür sind die Atom-Interferometrie, wo dieses Verhalten 1997 erstmalig bei Atomen, d.h. zusammengesetzten Teilchen, gefunden wurde. In der Ausgabe [nature, 29. September 2005] berichten die Berliner Max-Planck-Forscher gemeinsam mit Forschern vom California Institute of Technology in Pasadena/USA nun von molekularen Doppelspaltexperimenten. Diese beruhen darauf, dass sich Moleküle mit identischen und damit spiegelsymmetrischen Atomen wie ein von der Natur aufgebauter mikroskopisch kleiner Doppelspalt verhalten. Dazu gehört Stickstoff, wo sich jedes Elektron – auch die hochlokalisierten inneren Elektronen – an beiden Atomen gleichzeitig aufhält. Ionisiert man nun ein solches Molekül etwa mit weicher Röntgenstrahlung, führt diese Eigenschaft zu einer wellenartig streng gekoppelten Emission eines Elektrons von beiden atomaren Seiten, genauso wie im Doppelspaltexperiment mit Einzelelektronen.

Die Experimente wurden von Mitarbeitern der Arbeitsgruppe “Atomphysik” des FHI an den Synchrotronstrahlungslaboren BESSY in Berlin und HASYLAB bei DESY in Hamburg durchgeführt. Die Messungen mittels einer Multi-Detektoranordnung für kombinierten Elektronen- und Ionen-Nachweis fanden hinter so genannten Undulator-Strahlrohren statt, die weiche Röntgenstrahlung mit hoher Intensität und spektraler Auflösung liefern. Quelle: idw

Wenn sich jedes Elektron an zwei Orten gleichzeitig aufhalten kann, wie im vorletzten Absatz angeführt, dann hat das Folgen für unser Weltbild. Welche Folgen das sind, ist im Sachbuch mit dem Titel  Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen näher beschrieben.

Künstliche Lebewesen aus der Retorte

Die synthetische Biologie ist ein junger Forschungszweig, der sich anschickt, in einer Art zweiter Schöpfung nach vier Milliarden Jahren ein künstliches Lebewesen aus der Retorte zu erschaffen. Forscher wie Tom Knight, Drew Endy und Randy Rettberg (MIT Cambridge, USA) entwerfen nach dem Legoprinzip zunächst modulare biologische Bausteine die sogenannten »BioBricks«. Diese Biobricks erfüllen definierte biologische Aufgaben, analog den elektronischen Schaltkreisen, wie sie in Mikroprozessoren (Computer) zu finden sind.

Biobricks befinden sich in der experimentellen Phase und werden bereits in die »Baupläne des Lebens« von Bakterien eingebaut. In ersten Erfolgen hat die kalifornische Firma LS9 das Darmbakterium Escherichia coli reprogrammiert. Nun erzeugt das Bakterium Biosprit aus Mais-Sirup und Zuckerrohr.

Als Bauplan des Lebens oder DNA bezeichnet man ein in allen Lebewesen vorkommendes Biomolekül, welches die komplette Erbinformation (Genom) trägt. DNA besteht aus zwei parallelen Strängen, die einander schraubenartig umlaufen (Doppelhelix). Die Stränge sind durch Sprossen miteinander verbunden. So eine Sprosse wird als Basenpaar bezeichnet, weil sie aus zwei sich ergänzenden Basen und einer Wasserstoffbrücke gebildet wird. Chemisch gesehen handelt es sich bei der Base um ein Nukleotid, welches zu den vier Gruppen der Biomoleküle gehört. Ein Basenpaar stellt die unterste Informationseinheit der DNA dar und entspricht zwei Bit herkömmlicher Information. Die Abschnitte der DNA, welche die Information über die einzelnen Erbanlagen enthalten, werden Gene genannt. Bei Katzen kann beispielsweise ein Gen das Merkmal kurzer oder langer Schwanz bedeuten, ein anderes Gen braunes oder weißes Haar. Menschen besitzen ca. 25.000 Gene mit 3 Billionen Basenpaaren, ein Bakterium 500 bis 7000 Gene mit 1 – 10 Millionen Basenpaaren.

Video: Craig Venter (in englisch)

Schöpfung oder bekanntes Verfahren?

Einer, dem es kürzlich gelungen ist, das komplette Erbgut eines Bakteriums im Labor synthetisch herzustellen und zusammenzusetzen, ist der US-amerikanische Biochemiker Craig Venter. Venter hatte sich bereits früher einen Namen gemacht, als er im Jahr 2000 das menschliche Genom entschlüsselte. Auch wenn die Synthese von DNA unter den Forschern als allseits bekanntes Verfahren gilt, ist das von Venter erzeugte synthetische Genom mit rund 500.000 Basenpaaren nach seinen Angaben zwanzig Mal größer als alles, was man bisher zusammenhängend produziert hat.

Im nächsten Schritt will Venter das synthetische Genom in eine lebende Bakterienzelle einschleusen. In dieser soll es anstelle des natürlichen Genoms die Kontrolle übernehmen. Dadurch würde er nach seiner Ansicht einen neuen künstlich hergestellten Organismus schaffen. Das wäre ein Durchbruch gegenüber der herkömmlichen Gentechnologie, die nur einzelne Gene verändern kann, aber nicht ganze Gen-Systeme.

Komplette biologische Systeme nach Maß

Noch einen Schritt weiter geht das Zusammenstellen kompletter biologischer Systeme aus Biobricks nach Maß. Die Forscher am Massachusetts Institute for Technology (MIT) haben, um das Ziel zu erreichen, schon mehr als zweitausend Biobricks in einer Datenbank gesammelt. Wie Elektroingenieure ein Schaltbild aus elektronischen Komponenten am Reißbrett zeichnen, wollen die MIT-Zellingenieure nun aus den Genabschnitten der Biobricks komplette Gen-Systeme zusammenstellen. Das so entworfene Genom wird nach Plan produziert und anschließend sollen leere Zellhüllen mit dem künstlichen Erbgut bestückt werden. Das auf diese Weise künstlich geschaffene »Lebewesen« soll dann die geplanten Substanzen produzieren, beispielsweise Biokraftstoffe, Medikamente oder Biokunststoffe.

Kritiker wie Professor André Rosenthal sind allerdings der Ansicht, dass man von der Schaffung künstlichen Lebens noch Jahrhunderte entfernt ist. Rosenthal ist Leiter der Signature Diagnostics AG in Potsdam, die Gen-Tests zur Krebs-Früherkennung erstellt. Auch wenn das Genom synthetisiert werden kann, ist doch die Hülle der Zelle nicht künstlich hergestellt und das ist für ihn entscheidend. Nach seiner Meinung wäre Craig Venters Arbeit nur interessant, wenn er eine künstliche Zelle mit den entsprechenden Zellorganellen im Reagenzglas erzeugen könnte. Wie die Zeitschrift »Bild der Wissenschaft« in ihrer Ausgabe 3/2009 berichtet, gibt es aber bereits Ansätze zur Erschaffung einer kompletten funktionstüchtigen Zelle einschließlich Hülle, wenn auch noch ein langer Weg vor den Forschern liegt. – Klaus-Dieter Sedlacek

Der Autor ist Verfasser des Buchs »Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen«. In dem Buch wird unter anderem der Zusammenhang zwischen den fundamentalen Bausteinen der Welt und Bewusstsein aufgedeckt.

Wieso prasseln kosmische Partikel aus schwarzen Löchern auf die Welt?

Video: Wo entsteht die kosmische Strahlung?

Kosmische Strahlung auch Höhenstrahlung genannt ist schon länger bekannt. Während einer Ballonfahrt im Jahr 1912 entdeckte sie der österreichische Physiker Victor Franz Hess und veröffentlichte noch im gleichen Jahr seine Entdeckung. Kosmische Strahlung aus dem Weltall besteht überwiegend aus hochenergetischen Protonen oder Elektronen. Was aber auf das Pierre-Auger-Observatorium in der argentinischen Pampa vom Himmel niederprasselt, ist ganz anderer Art und dreißigmal energiereicher als alles, was jemals in der Quantenschleuder LHC in Genf erzeugt werden kann. Was steckt dahinter, dass unsere Welt mit solch energiereichen Partikeln bombardiert wird und woraus bestehen diese?

Nordöstlich vom Ort Malargüe sind 1600 Wasserdetektoren über ein Gebiet größer als das Saarland verteilt, um die kosmischen Partikel aufzuspüren. Jeder der Wasserdetektoren enthält zehn Kubikmeter hochreines Wasser. Wenn die an der Untersuchung beteiligten Wissenschaftler ein geheimnisvolles blaues Leuchten (Tscherenkowstrahlung) im Wasser der Detektoren entdecken, dann wissen sie, dass die Erde wieder mit Partikeln bombardiert wird. Und das geschieht etwa hundert Mal im Jahr. In mehr als zwanzig Kilometer Höhe stoßen die Ankömmlinge aus dem All mit Luftmolekülen zusammen und erzeugen Milliarden winziger Trümmerteile. »[Sie] werden so zu Quadratkilometer großen Teilchenschauern«, berichtet Johannes Blümer, der Sprecher des Zentrums für Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik am Karlsruher Institute for Technology (KIT).

Blümer vermutet, es handele sich bei den hochenergetischen und extrem schnellen Partikeln um Eisenkerne. Doch Genaues wissen die Forscher noch nicht. Als Quelle kommen möglicherweise Schwarze Löcher in Frage, die nicht mehr als 330 Millionen Lichtjahre von uns entfernt, alles verschlingen, was in ihre Nähe gerät. Durch eine Art Schluckauf entstehen Schockwellen und starke Magnetfelder, welche die hochenergetischen Teilchen erzeugen, die dann unsere Erde bombardieren.

Die physikalischen Messungen in der Pampa helfen, den Geheimnissen der Partikel und des Universums auf die Schliche zu kommen. Aber auf die Frage, ob die Physik die Welt erklären kann, antwortete Professor Harald Lesch von der Universitätssternwarte München in der hundertsten Folge von Alpha Centauri sinngemäß, dass Physik nur erklären kann, wie etwas funktioniert, aber nicht wieso.

Für die Erklärung des ‘Wieso’ bedarf es deshalb der Metaphysik. Diese kann die Ergebnisse aller Einzelwissenschaften und nicht nur der Physik in einer Gesamtschau vereinen und daraus ein metaphysisches Weltbild entwerfen. Ein solches metaphysisches Weltbild findet sich in dem kürzlich erschienenen Sachbuch mit dem Titel: »Unsterbliches Bewusstsein«. Dort wird gezeigt, dass Raumzeit und Materie dem Bewusstsein untergeordnete Einheiten des Universums sind. Darüber hinaus werden Fragen nach dem Sinn und Zweck, also dem ‘Wieso’ beantwortet.
Manfred Sommerfeld

Mehr zum Thema:
1. »Teilchenjäger in der argentinischen Pampa« von Rainer Klüting, Stuttgarter Zeitung v. 14.11.2008.
2. »Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen«

Nanotechnologie: Durchbruch bei winzigen molekularen Maschinen!

Abbildung: Wie eine Erbsenschote – metallorganische Moleküle eingesperrt in Kohlenstoff-Nanoröhrchen. M. Ashino, Universität Hamburg
Wie eine Erbsenschote - metallorganische Moleküle eingesperrt in Kohlenstoff-Nanoröhrchen.(idw). Wie die renommierte britische Fachzeitschrift “Nature Nanotechnology” in ihrer Online-Ausgabe vom 25. Mai 2008 berichtet, gelang es Forschern von der Universität Hamburg mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops die Bewegung von Molekülen, die in anderen größeren Molekülen eingesperrt sind, zu messen und zu kontrollieren. Diese herausragenden Forschungsergebnisse eröffnen völlig neuartige Wege für die Entwicklung von nanomechanischen Geräten, wie zum Beispiel molekulare Nano-Transporter.
Seit der Mensch den ersten Blick in den Nanokosmos warf, stand die Idee im Raum, diese winzige Welt der Atome und Moleküle gezielt zu manipulieren und molekulare Maschinen zu entwickeln, die selbständig beliebige Materialien und komplexe Systeme aus einzelnen Atomen und Molekülen aufbauen können. Immer wieder liest man von medizinischen Zukunftsvisionen, wie z. B. von Nano-Robotern, die durch den Blutkreislauf patrouillieren und gefährliche Viren aufspüren und bekämpfen. Den Nanokosmos können die Wissenschaftler inzwischen zwar mit aufwendigen Verfahren und großen Geräten gezielt Atom für Atom kontrollieren, aber molekulare Nano-Maschinen sind noch immer im Bereich der Science-Fiction angesiedelt. Nichtsdestotrotz wird an verschiedenen Antriebssystemen für solche Nano-Maschinen intensiv geforscht.Einen völlig neuen Ansatz eröffnen die Arbeiten der beiden Forscher Dr. Makoto Ashino und Prof. Dr. Roland Wiesendanger von der Universität Hamburg, die in dieser Woche von der Fachzeitschrift “Nature Nanotechnology” veröffentlicht wurden. Zusammen mit einem internationalen Team aus Wissenschaftlern vom Max Planck Institut für Festkörperforschung, der Technischen Universität von Eindhoven, der Universität Nottingham und der Universität Hong Kong fanden die Hamburger Forscher neue Möglichkeiten der Messung der Kräfte, die Moleküle innerhalb von anderen Molekülen bewegen.

Für ihre Experimente sperrten die Forscher metallorganische Moleküle in Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein. Die dabei entstehende Struktur kann man sich wie eine Erbsenschote vorstellen (Abb. 1). Die so vorbereiteten Moleküle innerhalb von Nanoröhrchen wurden auf einer isolierenden Oberfläche platziert und mit Hilfe der berührungslosen Rasterkraftmikroskopie untersucht.

Ein Rasterkraftmikroskop arbeitet nicht mit Licht, wie ein herkömmliches Lichtmikroskop, sondern es funktioniert ähnlich wie ein Plattenspieler. An einem mikroskopisch kleinen Federbalken befindet sich eine atomar scharfe Spitze, die über eine Oberfläche gerastert wird. Die Auslenkung des Federbalkens wird mit Hilfe eines Laserstrahls bestimmt und aus den daraus resultierenden Daten am Computer eine dreidimensionale Abbildung der Oberfläche erzeugt. Im berührungslosen Modus eines Rasterkraftmikroskops schwingt der Federbalken über der Oberfläche, ohne dass die Spitze diese berührt.

Neben der Untersuchung der Oberflächentopographie der “Erbsenschote” ermittelten die Wissenschaftler auch gleichzeitig die Energie, die der vibrierenden Spitze des Rasterkraftmikroskops verloren ging, während sie über die Oberfläche der Struktur bewegt wurde. Dadurch konnten die Hamburger Wissenschaftler erstmalig die Kräfte, die die kleinen metallorganischen Moleküle innerhalb der Kohlenstoff-Nanoröhrchen bewegen, messen und sogar gezielt kontrollieren. Dies stellt einen entscheidenden Durchbruch in der Erforschung von molekularen Maschinen und molekularen Transportern dar, die für die weitere Entwicklung der Nanotechnologie eine hohe Bedeutung haben.

Weitere Informationen:

https://www.nanoscience.de

Biobenzin: Ist Benzin aus Biomasse eine neue spannende Perspektive?

Was ist besser: Biobenzin oder Ethanol? WISSEN DER ZUKUNFT berichtet über das Wunderwelt Wissen und eine neue Perspektive.

Hamburg (ptx) – Shell und Virent Energy Systems, Inc., (Virent) aus Madison in Wisconsin, USA, haben ein gemeinsames Forschungs- und Entwicklungsvorhaben angekündigt, das zum Ziel hat, pflanzlichen Zucker statt in Ethanol direkt in fertiges Benzin oder Benzinkomponenten umzuwandeln.
Die Zusammenarbeit hat das Potential, die Verfügbarkeit neuer Biokraftstoffe deutlich zu verbessern. Denn das neue Biobenzin kann dem herkömmlichen Ottokraftstoff in hohen Mischungsanteilen beigegeben werden. Eine spezialisierte Infrastruktur, neue Motortechnik und die erforderlichen Anlagen zur Beimischung würden dadurch überflüssig. Die Technologie der BioForming-Plattform von Virent wandelt pflanzliche Zucker mit Hilfe von Katalysatoren in Kohlenwasserstoffmoleküle um, wie sie auch in einer Erdölraffinerie erzeugt werden. Bisher wurden pflanzliche Zucker zu Ethanol fermentiert und destilliert. Die neuen “Biobenzin”-Moleküle haben einen höheren Energieinhalt als Ethanol (oder Butanol) und bieten eine bessere Kraftstoffeffizienz. Sie lassen sich zu herkömmlichem Benzin mischen, das sich nicht von Benzin auf Erdölbasis unterscheidet, oder können mit ethanolhaltigem Benzin kombiniert werden.

Zur Gewinnung der Zucker eignen sich neben Weizen, Mais und Zuckerrohr auch Reststoffe/Bioabfälle wie Maisstroh, Stroh und Zuckerrohrbagasse. Shell und Virent haben bereits ein Jahr lang gemeinsam geforscht. Mit der BioForming- Technologie wurden schnelle Fortschritte erzielt und die gesteckten Ziele für Ertrag, Produktzusammensetzung und Kosten übertroffen. In Zukunft soll vor allem die Technologie weiter verbessert und zur kommerziellen Produktion größerer Mengen tauglich gemacht werden.

“Die technischen Eigenschaften der heutigen Biokraftstoffe erschweren ihre Einführung auf breiter Front”, so Dr. Graeme Sweeney, Shell Executive Vice President Future Fuels and CO2.

“Die Autoindustrie und Kraftstoffanbieter sind zwar im Begriff, die Vertriebsinfrastruktur und die Automotoren an die heutigen Biokraftstoffe anzupassen, aber die jetzt aufkommenden neuen Kraftstoffe wie die von Virent, die dieselben Eigenschaften wie Benzin und Diesel aufweisen oder diesen sogar überlegen sind, geben eine neue Perspektive, was ich sehr spannend finde.”

Dr. Randy Cortright, Chief Technology Officer, Mitbegründer und geschäftsführender Vizepräsident von Virent: “Virent hat bewiesen, dass sich pflanzlicher Zucker in dieselben Kohlenwasserstoff-Komponenten umwandeln läßt, die in den heutigen Benzinmischungen verwendet werden. Unsere Produkte sind Benzin auf Erdölbasis in Funktionalität und Leistung ebenbürtig. Der einzigartige Katalyseprozess von Virent erzeugt Biobenzin aus unterschiedlichen Biomasse-Rohstoffen zu wettbewerbsfähigen Kosten. Die Ergebnisse, die uns heute vorliegen, rechtfertigen eine beschleunigte Kommerzialisierung dieser Technologie.”

Science Fiction wird Alltag: Die Roboter sind da!

WISSEN DER ZUKUNFT berichtet über das Wunderwelt Wissen.

(prcenter.de) Von Andreas Schultheis

Frankfurt/Berlin – Roboter haben den modernen Lebens- und Arbeitsalltag des Menschen erobert. Sie montieren Autos, übernehmen Hausarbeiten, spielen Fußball mit den Kindern. Fast scheint es, dass der Traum vom allzeit willigen Helfer, den Literatur und Science-Fiction seit Jahrhunderten ausgemalt haben, Realität geworden ist. Wie aus Träumen Wirklichkeit wurde, dokumentiert das Frankfurter Museum für Kommunikation https://www.museumsstiftung.de mit seiner Ausstellung „Die Roboter kommen!” Musikautomaten aus dem 18. Jahrhundert, legendäre Werberoboter der 1950er Jahre und moderne Forschungsroboter, darunter der humanoide Roboter „Armar II”, veranschaulichen die Entwicklung.

Moderne Serviceroboter, die staubsaugen oder die Geschirrspülmaschine ausräumen können, sehen wie freundliche Hausgenossen aus. Gerade erst hat Toyota https://www.toyota.com einen Geige spielenden Roboter vorgestellt, der zeigt, wie die elektronische Welt von morgen aussehen könnte. Dabei ist Toyota nicht allein mit seinen Planungen, sondern hat im eigenen Land eifrige Konkurrenten: „Lange führte dabei Honda die Entwicklung von humanoiden Robotern an: Vor über 20 Jahren startete der Auto- und Motorradhersteller ein bis vor Kurzem viel belächeltes Roboterprogramm. Inzwischen kann sein humanoider Roboter Asimo laufen, die Hand geben und soll bereits in den kommenden Jahren als Bote in Büros arbeiten”, berichtet Focus Online https://www.focus.de. Auch „Nissan stellte auf der Tokyo Motor Show einen fußballgroßen Roboterkopf vor, der in das Armaturenbrett seines Konzeptautos Pivo 2 eingebaut war. Der Kopf soll mit dem Fahrer plaudern und ihm bei Müdigkeit Restaurants für eine Pause vorschlagen”, so das Magazin.

Sprechende Assistenzsysteme scheinen auf dem Vormarsch, auch in der Unternehmens-kommunikation, wie das Beispiel Daimler belegt. Der Personal Assistant ist hier eine Vermittlungs- und Assistenzanwendung für das Personal Information Management der Konzernmitarbeiter. Sie verwirklicht ein so genanntes One-Number-Konzept für die ständige Erreichbarkeit der Mitarbeiter und den Wechsel von der Festnetztelefonie auf Vermittlungs- und Assistenzdienste. Realisiert wurde diese Anwendung vom Berliner Unternehmen SemanticEdge https://www.semanticedge.de: „Selbst wenn man den Namen eines Geschäftspartners gerade nicht weiß, kann man über eine Suchfunktion mit der Eingabe von Branche und Standort die gewünschte Verbindung aufbauen”, erklärt SemanticEdge-Geschäftsführer Lupo Pape. Per Spracheingabe könnten die Mitarbeiter eine Routing-Funktion nutzen, alle Anrufe umleiten, so dass sie auf einer bestimmten Nummer zu erreichen sind. Sprachverarbeitende Technologie, davon ist auch der Berliner Zukunftsforscher Norbert Bolz überzeugt, wird in den nächsten Jahren eine wachsende Rolle spielen. „Wenn Sie auf Ihr Auto zugehen und können es öffnen und starten, indem Sie es ansprechen, das lässt sich niemals überbieten”, erläutert er einen alten Traum der Zivilisation. „Ich persönlich kenne überhaupt keinen Zukunftsforscher oder Technologen, der Zukunftsszenarien entwickelt und nicht davon ausgehen würde, dass die Stimme letztlich das ultimative Interface ist”, sagte Bolz bei den diesjährigen Bonner Voice Days https://www.voicedays.de.

Die KI-Forschung und speziell die Robotik gelten weltweit als Zukunftsmarkt. „6,9 Mrd. Euro setzte allein die deutsche Roboterwirtschaft 2005 mit ihren Produkten um. Außerhalb der industriellen Fertigung gelten Serviceroboter als Wachstumsbereich”, analysiert die Zeitschrift Technology Review. Die Begeisterung für Robotertechnik erinnert Microsoft-Gründer Bill Gates an die Zeit, als er und sein Partner Paul Allen davon träumten, dass irgendwann auf jedem Schreibtisch und in jedem Haus ein Computer stehen könnte. Gates könne sich eine Zukunft vorstellen, in der roboterähnliche Geräte zu einem fast allgegenwärtigen Bestandteil des täglichen Lebens werden. Für den Sprachdialogexperten Pape sind das keine Hirngespinste. Bereits heute existierten die dafür notwendigen Technologien wie dezentrales Rechnen, Sprach- und Mustererkennung. Drahtlose Breitbandverbindungen könnten die Tür zu einer neuen Generation selbständiger Geräte öffnen, die Aufgaben für Menschen erledigen. „Da liegt allerdings noch ein weiter Weg vor uns. Für Maschinen ist es sehr schwierig, sich in einem Raum zu orientieren, auf Geräusche zu reagieren, Sprache zu interpretieren und Gegenstände zu ergreifen, die höchst unterschiedlich sind”, sagt Pape im Gespräch mit dem Online-Magazin NeueNachricht https://www.ne-na.de. Eine funktionierende Spracherkennung werde unverzichtbar sein, um Roboter im Alltag einzusetzen, etwa in der Altenpflege oder bei der Unterstützung behinderter Menschen.

Werden Schweineherzen in Menschen verpflanzt?

(DailyNet) Nach herben Rückschlägen kommt die Forschung an der Verpflanzung von Schweineorganen in Menschen jetzt wieder in Schwung. Das berichtet das Technologiemagazin Technology Review in seiner Ausgabe 07/07. So hat in Russland gerade die erste klinische Studie begonnen, bei der Diabetes-Patienten Inselzellen von Schweinen injiziert bekommen. Diese sollen dafür sorgen, dass die Diabetes-Kranken ohne Insulin-Zufuhr von außen oder zumindest mit einer niedrigeren Dosis auskommen. Für die Behandlung werden die Schweine-Zellen in einem speziellen Gel verkapselt, das zwar Insulin und Nährstoffe durchlässt, nicht aber die Antikörper, Fresszellen und weißen Blutkörperchen der menschlichen Immunabwehr. Ohne diese Verkapselung würden die Schweinezellen sofort eine heftige Abstoßungsreaktion auslösen.

Die mögliche Diabetes-Therapie stammt vom neuseeländischen Unternehmen Living Cell Technologies, das sich schon seit 18 Jahren mit diesen sogenannten Xenotransplantationen beschäftigt. Der Rest der Branche hatte nach einem kleinen Boom Ende der 1980er Jahre aufgegeben. Ein wichtiger Grund dafür war die Entdeckung von Retroviren im Erbgut von Schweinen, die dem HI-Virus ähneln und im Reagenzglas auch menschliche Zellen infizierten.

Mittlerweile aber gelten die Schweine-Retroviren “nicht mehr als unlösbares Problem”, sagt der Inselzellen-Spezialist Bernhard Hering von der University of Minnesota. So ließen sich die Viren mittlerweile sicher diagnostizieren und die Übertragungswahrscheinlichkeit drastisch senken.

Wie andere Forscher setzt Hering darauf, Schweinezellen nicht zu verkapseln, sondern gentechnisch so zu verändern, dass das menschliche Immunsystem sie besser toleriert. Dabei arbeitet er mit dem deutschen Klon-Experten Eckhard Wolf zusammen, der derzeit bei München einen hochmodernen Stall für Schweine für die Xenotransplantation bauen lässt. An der Mayo Clinic in den USA entsteht unterdessen für 17 Millionen Dollar ein weiterer Hightech-Stall. Dort sollen in Zukunft sogar ganze Schweineherzen in Menschen verpflanzt werden.